基于LCA的轻型结构工业化建筑碳排放协同仿真方法研究

Energy conservation and emission reduction have become an important direction in the field of architectural design. The quantitative evaluation and calculation in carbon emissions from lightweight prefabs have a significant impact on developing a low carbon economy and controlling global warming. Although there are some models that can simulate carbon emission of buildings, there are no systematic solutions for the simulation of prefabs and its emission effects on environmental load, especially for the simulation of lightweight prefabs. This project aims to establish a co-simulation system for carbon emissions in lightweight prefabs based on LCA, integrating the models and techniques from multiple disciplines (building energy simulation, BIM information integration platform, etc.). The system consists of three parts: 1) an accounting model of lifecycle carbon emissions in lightweight prefabs based on Energy Plus and BIM; 2)an evaluation system of carbon emissions in lightweight prefabs based on LCA; 3)a coupling computation of building energy models and BIM models based on a co-simulation platform. The co-simulation system can be used to quantitatively evaluate building energy uses and carbon emissions for different design schemes of lightweight prefabs and then provide a guidance for architectural design.

节能减排已成为建筑设计领域的一个重要方向，定量盘查和评价轻型结构工业化建筑物碳排放对发展低碳经济、控制全球气候变暖具有深远的意义。然而，虽然目前已有学者提出建筑碳排放模型，但还没有一套完整的模拟方法和工具能够预测工业化建筑全生命周期碳排放对环境负荷的影响，尤其是轻型结构工业化建筑体系。本项目结合建筑能耗模拟、BIM信息集成等多领域的模型和技术，建立一套基于全生命周期评价（LCA）的轻型结构工业化建筑碳排放协同仿真方法。该方法主要包括三个方面：1）基于EnergyPlus模拟方法和BIM集成技术建立轻型结构工业化建筑全生命周期碳排放核算模型；2）基于LCA评价模式建立轻型结构工业化建筑系统的碳排放评价体系；3）基于协同模拟平台实现建筑能耗软件与BIM软件的动态耦合计算。研究能实现定量预测和评价不同轻型结构工业化建筑设计方案形成的碳排放及其建筑能耗差异，从而为建筑设计提供科学指导。

临时住房在灾后（如洪水、火灾、地震等）提供安全、卫生、私人和舒适的住所方面发挥着重要作用。此外，临时住房也可以作为建筑工人一种可持续的现场居住方式。虽然大多数用于临时住房的建筑构件可以在工厂生产，但预制技术提高了临时住房的生产效率，此外，集成的可再生能源系统，例如太阳能光伏系统，为临时住房的运营带来了益处。为了评估安装可再生能源系统的预制临时住房的环境影响，本研究将其生命周期划分为六个阶段，建立每个阶段的生命周期碳排放评价模型，并以减少对环境的影响为目标，对临时住房生命周期各阶段提出了相应的减碳措施建议。选取中国轻型结构临时用房实例作为研究对象，对所提出的方法进行了论证。基于全生命周期碳排放量数据统计，采用了碳减排措施后，“微排屋”的年均碳排放为35.7kg/m2•每年，减少了材料生产阶段18%的隐含碳排放，装配过程17.5%的碳排放，以及运营阶段91.5%的碳排放。研究提出了一个碳减排驱动的全生命周期评估框架，有助于促进配备可再生能源系统的预制临时住房的可持续发展，能够帮助预测轻质工业化建筑全生命周期碳排放对环境负荷的影响。在技术层面，通过Revit API实现了访问文档对象、进行对象过滤、族创建、模型动态更新、模型显示分析结果等功能，充分利用BIM模型数据和综合数据库，提高相关建筑质量分析工具的效率；并基于Vue+Node组合实现虚拟仿真Web平台搭建，引入Three.js支持在浏览器进行3D模型加载和操作展示，支持在实验过程中进行建筑模型和材料参数设置，运用JS脚本等编程语言建立碳排放仿真算法模块，实现碳排放核算模型与建筑信息模型的耦合计算。研究能实现定量预测和评价不同轻型结构工业化建筑设计方案形成的碳排放及其建筑能耗差异，从而为建筑设计提供科学指导。